Усачев А.Е. Испытательные и электрофизические установки высокого напряжения
Подождите немного. Документ загружается.
Полярность импульса определяется полярностью первого полупериода.
Допускается применение импульса как на рис. 3.3, в. Параметры должны
быть такими, как для стандартного колебательного импульса (см. рис. 3.3, 6).
Для испытания внутренней изоляции силовых трансформаторов и
шунтирующих реакторов применяется коммутационный импульс "20/500" с
временем подъема Т
1
не менее 20 мкс, длительностью импульса Т
2
не менее
500 мкс, с временем свыше 90 % от U
м
не менее 200 мкс и допуском на
максимальное значение импульса ±3 %.
Форма и параметры коммутационного импульса, которым должна
испытываться та или иная изоляция, а также отношение максимального
значения второго полупериода к максимальному значению первого и время
свыше 90 %, если они влияют на результаты испытания, должны быть
указаны в нормативных документах на электрооборудование отдельных
видов.
Требования к значениям суммарной емкости объекта и дополнительной
ёмкости испытательных установок такие же, как и при испытании изоляции
оборудования напряжением промышленной частоты.
При испытании объектов с ёмкостной характеристикой (выключатели,
разъединители, вводы, трансформаторы тока, конденсаторы и т.д.)
апериодическим коммутационным импульсом напряжения рекомендуется
использовать ГИН, а при испытании приложением колебательного импульса
напряжения - применять схемы на основе испытательного трансформатора
(каскада трансформаторов).
При испытании трансформаторов индуктированным колебательным
импульсом напряжения рекомендуется применять схемы, основанные на
принципе разряда конденсаторной батареи на обмотку низшего напряжения
испытуемого трансформатора.
Лекция 9. Генераторы импульсных токов (ГИТ)
При разработке высоковольтных аппаратов возникает необходимость
проводить их испытания значительными импульсными токами. Такие токи в
условиях эксплуатации появляются в результате грозовых разрядов и
коротких замыканий в энергосистемах. В лабораторных условиях их
получают с помощью накопителей энергии, т. е. устройств, в которых в
течение длительного времени происходит накопление энергии от источника
ограниченной мощности. Разряд за короткий промежуток времени приводит
к резкому увеличению мощности, выделяющейся в нагрузке, и
протекающего через него тока. Наиболее распространены следующие виды
накопителей энергии: ёмкостные (конденсаторные батареи), индуктивные
(катушки с током), механические (большие вращающиеся маховики) и
химические (аккумуляторы). При ударах молнии в линии электропередачи и
подстанции оборудование подвергается воздействию униполярных
импульсов тока с амплитудой порядка 10
4
÷ 10
5
А и длительностью в
несколько десятков микросекунд.
Для имитации токов молнии в лабораторных условиях применяют
установки с ёмкостными накопителями энергии, называемые генераторами
импульсных токов (ГИТ). Униполярный импульс тока с заданными
параметрами может быть получен при разряде ёмкости С на активное
сопротивление R через индуктивность L (рис.3.19). Ёмкость С представляет
собой суммарную ёмкость всех накопительных конденсаторов ГИТ;
индуктивность L – суммарная индуктивность схемы ГИТ (конденсаторов,
коаксиальных кабелей, шин, объекта испытаний, разрядника SF и т.п.);
сопротивление R – суммарное активное сопротивление схемы ГИТ.
Характер разряда в схеме рис.3.19 зависит от величин параметров L, R,
C, соотношение между которыми, обычно, обозначают символом γ (см. 3-
15).
При расчетах параметров ГИТ используются следующие соотношения.
Характеристическое сопротивление схемы
C
L
Z
=
. (3.12)
Максимальный ток при R=0
Z
U
I
m
0
0
=
. (3.13)
Постоянная времени схемы (период колебаний при R=0):
LCT
=
0
. (3.14)
Показатель характера разряда ГИТ
Z
R
R
R
кр
2
==
γ
. (3.15)
При значении γ < 1 разряд накопительных конденсаторов ГИТ и,
соответственно, протекающий через объект испытаний ток, носят
колебательный характер (рис.3.20), при γ = 1 – критический и при γ > 1
форма импульса тока становится апериодической. При R ≠ 0 максимальное
значение тока через нагрузку I
m
< I
0m
, Вводится коэффициент использования
ГИТ по току:
m
m
'
m
I
I
I
0
=≡
η
. (3.16)
Используются приведённые величины тока
m
'
I
I
I
0
=
(3.17)
и времени
0
T
t
t
=
′
. (3.18)
Максимальная мощность в сопротивлении R:
0
P
P
P
m
'
m
=
, (3.19)
где характеристическая мощность
Z
U
P
2
0
0
=
(3.20)
и максимальная мощность в сопротивлении
RIP
mm
⋅=
2
(3.21)
Максимальное значение тока после первого перехода через нуль:
m
m
'
m
I
I
I
0
1
1
=
(3.22)
В колебательном режиме (0 < γ < 1) выполняются соотношения:
−⋅⋅
−
⋅−
=
2
2
1
1
γ
γ
γ
'tSin
)'texp(
'I
; (3.23)
−⋅
−
−=
2
2
1
1
γ
γ
γ
η
arcsinexp
(3.24)
−⋅
−
−⋅=
2
2
1
1
2
2
γ
γ
γ
γ
arcsinexpP
'
m
(3.25)
−
⋅
−=
2
1
1
γ
γπ
expI
'
m
(3.26)
Время подъема тока до максимума
2
2
2
1
1
γ
γ
γ
−
−
=
arctg
t
'
m
. (3.27)
В апериодическом режиме (γ > 1) выполняются:
( )
−⋅⋅
−
⋅−
=
1
1
2
2
γ
γ
γ
'tsh
'texp
'I
; (3.28)
1
2
2
1
−
−
−+=
γ
γ
γγη
(3.29)
1
2
2
2
12
−
−
−+=
γ
γ
γγγ
'
m
P
(3.30)
0
1
=
'
m
I
(3.31)
1
1
2
2
−
−+
=
γ
γγ
ln
t
'
m
(3.32)
Изменение параметров уравнений (3.23 ÷ 3.32) показано на рис.3.21 в
зависимости от показателя характера разряда ГИТ (γ ) и от отношения
времени длительности импульса (Т
2
, рис.3.3) к времени подъёма импульса
(Т
1
) на рис. 3.22. Приведённое время подъёма тока импульса:
0
1
1
T
T
T
'
=
.
(3.33)
Коэффициент использования по току (η ), амплитуда после первого
прохождения через нуль (
'
m
I
) и мощность в нагрузке (
'
m
P
) зависят от
параметра γ существенным образом (рис.3.21). Сам же параметр γ ,
характеризующий соотношение между активным и реактивным
сопротивлениями схемы (3.15) однозначно связан с параметрами импульса Т
1
и Т
2
(рис.3.22).
Оценку параметров схемы ГИТ (рис.3.19) можно проводить в
следующей последовательности:
1. по заданным характеристикам импульса Т
1
и Т
2
определить их
отношение и по рис.3.22 найти η , γ и
'
T
1
;
2. по значению
'
T
1
и заданному Т
1
по (3.33) определить Т
0
и по (3.14)
найти соотношение
LC
;
3. по значению γ найти (3.15) соотношение
Z
R
2
;
4. по значению η и заданной величине максимального тока I
m
из (3.16)
определить I
0m
;
5. по выбранной величине зарядного напряжения U
0
и найденной
величине I
0m
определить по (3.13) характеристическое сопротивление Z;
6. по суммарной ёмкости накопительных конденсаторов С и величинам
Z, Т
0
и γ определить требуемые дополнительно индуктивности и
активные сопротивления.
Принципиальная схема ГИТ показана на рис.3.23: 1- объект испытания;
SF- высоковольтный коммутатор (тригатрон);. R
з
– зарядное сопротивление,
определяющее время зарядки накопительных конденсаторов С; L -
индуктивность схемы, в которую входят индуктивность кабелей связи
конденсаторов и разрядника, индуктивность самих импульсных
конденсаторов, индуктивность разрядника и контура с объектом испытаний,
дополнительные катушки индуктивности для получения импульса тока
требуемой формы; R
ш
- сопротивление шунта, служащего для измерения
импульсного тока; r- защитные сопротивления (для предотвращения взрыва
С при повреждениях и КЗ).
При конструировании ГИТ стремятся уменьшить собственные
индуктивности схемы. Для этого накопительные конденсаторы соединяют в
батареи параллельно и располагают симметрично на кратчайшем возможном
расстоянии от объекта испытаний. Сами импульсные конденсаторы должны
обладать малой индуктивностью, а связи выполняться малоиндуктивными
(коаксиальными кабелями, шинами). Нормированными импульсами
являются импульсы 4/10 мкс и 8/20 мкс. Для получения таких импульсов, как
правило, достаточно конденсаторы расположить вокруг объекта испытаний и
создать несколько параллельных цепочек к разряднику. Как пример такой
компоновки ГИТ на рис.3.24 приведён снимок ГИТ IP 250/100 S фирмы
HighVolt с напряжением зарядки U
0
= 100 кВ и величиной запасённой в
конденсаторах энергии W = 250 кДж [19, 20]. Максимальный ток в такой
схеме достигает 200 кА. Вертикально расположенные катушки L
предназначены для получения импульсов тока большой длительности.
Коммутатор SF представляет собой управляемый разрядник – тригатрон.
Центральная часть установки показана на рис 3.25.
Лекция 10. Генераторы прямоугольных импульсов тока
Большое распространение в различных электрофизических установках
высокого напряжения получили схемы, создающие прямоугольные импульсы
тока типа рис.3.5. Импульсы такой формы применяют при магнитной
штамповке, импульсном дроблении твердых материалов, упрочении
поверхностей металлов и т.п. В электроэнергетике воздействию импульсов
тока прямоугольной формы подвергаются вентильные разрядники и ОПН
после срабатывания, когда через них происходит разрядка линий
электропередач, к которым эти аппараты подключены. Существует большое
количество различных схем получения импульсов тока, близких к
прямоугольной форме, представленной на рис.3.5. Высокую крутизну фронта
импульса, определяемую лишь характеристиками коммутатора можно
получить при разряде двухпроводной линии электропередачи, коаксиального
конденсатора (кабеля) или полосковой линии.
Одна из простейших схем получения прямоугольных импульсов тока
(схема двухпроводной симметричной линии) представлена на рис.3.26.
Принцип работы установки двухпроводной линии состоит в
следующем. Вначале происходит зарядка конденсаторов С от источников
постоянного напряжения ± U
0
через зарядные сопротивления R
з0
и
сопротивления R. Потенциал в точке 1 становится равным +U
0
,
а в точке 2 —
-U
0
. В точках 3 и 4 потенциал равен нулю. При подаче поджигающего
импульса шаровой разрядник пробивается, а потенциалы в точках 1 и 2
выравниваются и становятся равными нулю. Поскольку конденсаторы С
заряжены до разности потенциалов ± U
0
, потенциал в точке 3 становится
равным -U
0
,
а в точке 4 — +U
0
. Двухпроводная линия фактически
подключается к двойному напряжению U
0
. По линии начнет
распространяться бегущая волна с амплитудой 2U
0
, которая экспоненциально
затухает с постоянной времени
2
LC
=
τ
. Форма импульса в начале линии
(меду точками 3 и 4) и в конце линии (меду точками 5 и 6) зависит от
соотношения волнового сопротивления линии Z и сопротивления нагрузки
линии R
н
. При R
н
>> Z («разомкнутая» линии) отражение от конца линии
происходить без переворота импульса и напряжение удваивается. При R
н
= Z
(согласованная нагрузка) отражения от конца линии не происходит и вся
энергия, запасённая в конденсаторах С выделяется на нагрузке. Волновое
сопротивление линии составляет ~300 Ом, т.е. достаточно велико. К
недостаткам такой простой схемы следует отнести возникновение
высокочастотного колебательного процесса в контуре1-3-4-2 в момент
срабатывания коммутатора, рассеивание энергии и возникающие при
коммутации высокочастотные помехи. Кроме того, сама двухпроводная
линия, подключенная к точкам 3 и 4, является нагрузкой для источника
импульсного питания, состоящего из конденсаторов, ШР и сопротивлений R.
Внутреннее сопротивление этого источника не равно волновому
сопротивлению линии и в момент коммутации ШР возникают
дополнительные искажения фронта сигнала.
Длительность импульса равна удвоенному времени пробега
электромагнитных волн по линии. При скорости распространения импульса
по линии (скорость света) с = 300 м/мкс и длине линии, например, 3 м
длительность импульса составит величину ~20 нс.
Более хорошие результаты получаются при использовании в качестве
накопителей коаксиальных конденсаторов или коаксиальных кабелей. Схема
коаксиального генератора для получения прямоугольных импульсов